Основы химической токсикологии

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра органической химии

П.П. Пурыгин, З.П. Белоусова ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТОКСИКОЛОГИИ

Учебное пособие

Издательство «Самарский университет» 2003 год

В пособии представлены актуальные задачи химической токсикологии. Рассматриваются наиболее распространенные токсиканты и их метаболизм в живых организмах. Особое внимание уделено современным методам определения токсичных веществ в различных природных объектах.

2

СОДЕРЖАНИЕ 1. Предмет «химическая токсикология» и ее задачи 2. Основные понятия химической токсикологии 3. Объекты химико-токсикологического анализа 4. Объекты токсикологического эксперимента 5. Типы классификаций токсичных веществ 5.1. Классификация по токсикологическим признакам 5.2. Классификация по методу изолирования 6. Корреляция «структура - токсикологический эффект» 7. Физико-химические методы определения ядовитых и сильно действующих веществ 7.1. Спектральные методы. 7.2. Электрохимические методы 7.3. Хроматографические методы 8. Биохимические методы определения ядовитых и сильно действующих веществ 8.1. Иммунохимические методы анализа 8.2. Биосенсорный анализ 9. Методы обезвреживания токсичных отходов химических производств 10. Обнаружение, определение и токсикологическое значение веществ перегоняемых с водяным паром 10.1. Синильная кислота и ее производные 10.2. Ядовитые галогенпроизводные и их метаболизм 10.2.1. Трихлорэтилен 10.2.2. Хлороформ и хлоральгидрат 10.2.3. Четыреххлористый углерод 10.2.4. Дихлорэтан 10.3. Альдегиды и кетоны 10.3.1. Формальдегид и формалин 10.3.2. Ацетон 10.4. Спирты 10.4.1. Метиловый спирт 10.4.2. Этиловый спирт 10.4.3. Амиловый спирт (изоамиловый спирт) 10.4.4.Этиленгликоль 10.5. Уксусная кислота 10.6. Нитробензол 11. Группа ядовитых и сильно действующих веществ изолируемых из анализируемых объектов подкисленным спиртом и подкисленной водой

3

5 5 6 7 8 8 8 9 16 17 17 17 20 20 21 22 24 25 30 30 32 33 33 34 34 35 36 36 36 37 37 39 39 39

11.1. Салициловая кислота 11.2. Барбитуровая кислота и ее производные 11.3. Фенацетин 11.4. Алкалоиды 11.4.1. Алкалоиды, производные пиридина 11.4.1.1. Кониин 11.4.1.2. Никотин 11.4.2. Алкалоиды, производные тропана 11.4.3. Алкалоиды, производные хинолина 11.4.4. Алкалоиды, производные изохинолина 11.4.5. Алкалоиды, производные индола 11.4.6. Алкалоиды, производные 1-метилпирролизидина 11.4.7. Алкалоиды, производные пурина 11.4.8. Ациклические алкалоиды 12. Некоторые синтетические лекарственные вещества основного характера Список использованной литературы.

4

40 41 42 42 44 44 44 45 46 47 48 48 49 49 50 51

1. ПРЕДМЕТ «ХИМИЧЕСКАЯ ТОКСИКОЛОГИЯ» И ЕЕ ЗАДАЧИ Химическая токсикология - это наука о химических методах изолирования, обнаружения и определения ядовитых и сильнодействующих веществ, а также продуктов их превращений в тканях, органах и жидкостях организма (животного или растения) и в окружающих человека среде и предметах (вода, воздух, земля, пищевых продуктов, лекарств, косметической продукции и т.д.). Задачи химической токсикологии: - Разработка новых методов и усовершенствование применяемых химических, физико-химических и биохимических методов изолирования, обнаружения и определения ядовитых и сильнодействующих веществ. - Изучение продуктов превращения данных веществ и их влияния на различные биологические системы (иммунную, ферментную, гормональную и другие) в живом организме. - Разработка методов обезвреживания и уничтожения химического оружия, а также химических отходов, образующихся в процессе производства и применения органических веществ. - Разработка компьютерных программ, оценивающих содержание химикатов в окружающей среде и делающих прогнозы относительно их дальнейшей судьбы, с учетом пространственных и временных изменений в ландшафте, характера речных потоков и т.п. Пионером в данной области является программа GREAT-ER (Geography-Referenced Regional Exposure Assement Tool), созданная при финансовой поддержке Европейского центра по экотоксикологии и токсикологии химикатов и Британского экологического агентства. С ее помощью оценивается судьба химикатов (бора и детергента линейного алкилбензолсульфоната) в шести речных бассейнов Европы. 2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ХИМИЧЕСКОЙ ТОКСИКОЛОГИИ В токсикологии ядом, или ядовитым веществом, условно называют такое химическое соединение, которое при попадании в организм в малых количествах и, действуя на него химически или физико-химически, способно привести к болезни или смерти. Под отравлением разумеют нарушение функций организма под влиянием ядовитого вещества, что может, закончится расстройством здоровья или даже смертью. Ядовитые вещества могут не только вводится в живой организм, но и образовываться или накапливаться (Hg, As, Cu и др.) в нем в процессе 5

жизнедеятельности, при некоторых заболеваниях и состояниях (инфекция, нарушение обмена, неполноценное питание и др.). Организм человека, постоянно вырабатывает гормоны, которые в больших количествах действуют как яды. Наоборот, многие ядовитые вещества, (алкалоиды, барбитураты и др.) в малых дозах вводятся в организм в качестве лекарств. Абсолютных ядов, т.е. химических веществ, способных приводить к отравлению в любых условиях, в природе не существует. Химическое вещество становится ядом при определенных условиях (доза, возраст, состояние здоровья и др.). Физические и химические свойства вещества также оказывают влияние на проявления токсических свойств. Например, сульфат бария при приеме внутрь не ядовит, так как не растворим в воде и соляной кислоте желудка, а хлорид бария или другая растворимая соль бария при приеме внутрь ядовита. При введении в желудок двухлористая ртуть (сулема) ядовита, однохлористая - не ядовита, так как не растворяется в жидкостях организма. При введении в организм необходимо учитывать влияние, вместе с которыми яд вводится в организм. При этом действие одних ядов в присутствии других веществ может усиливаться (барбитураты и алкоголь), а других ядов – ослабляться (кислота и щелочь) 3. ОБЪЕКТЫ ХИМИКО–ТОКСИКОЛОГИЧЕСКОГО АНАЛИЗА Объектами химико–токсикологического анализа являются: - биологические материалы (кровь, моча, органы трупов), - продукты питания, - ликероводочная продукция, - парфюмерно-косметическая продукция (кремы, помады, лосьоны, средства по уходу за волосами, пены для ванн и др.), - фармацевтические препараты, - объекты окружающей среды (почва, вода воздух и др.), - химические отходы и химическое оружие. Данные объекты выбраны не случайно, так как необходимо разрабатывать экспресс методы оценки различных токсичных веществ, например, в биологических материалах (для диагностирования и лечения заболеваний) или, например, в продуктах питания и ликероводочной продукции (для предотвращения отравлений граждан). В последнее время рынок лекарственных препаратов заполнен подделками, что требует серьезного контроля за фармацевтическими препаратами. Остро стоит проблема утилизации химического оружия и отходов химических производств. Необходимо проводить исследования по побочным эффектам различных веществ, содержащихся как в лекарственной, так и парфюмерно – косметической продукции. Так, например, немецкими исследователями изучалась токсикокинетика некоторых соединений (2-гидрокси-4-метоксибензофенона, бутилметоксибензоилметана, 3,3,5-триметилциклогексило6

вого эфира-2-гидроксибензойной кислоты и др.) входящих в состав УФ – фильтров. O CH3 CH2

CH2-CH2-CH2-CH3

CH

бутилмeтоксибeнзилмeтан

OH C

O

CH3

O

CH3 CH3

3,3,5-триметилциклогексиловый эфир-2-гидроксибензойной кислоты Под химическими УФ - фильтрами рассматривают органические молекулы, поглощающие ультрафиолетовые лучи и добавляемые в солнцезащитные средства (кремы, лосьоны) для защиты кожи от УФ - излучения. Эксперименты in vitro проходившие на клетках линии MCF-7 (клетки опухоли груди) и опыты in vivo на молодых крысах выявили для данных соединений эстрогенную активность (увеличивается вес матки, а размер приплода и выживаемость детенышей снижается). Причем данные вещества являются липофильными и могут накапливаться в живой природе – биоаккумулировать, например, в рыбе, а также в человеческом организме (обнаружены следы в материнском молоке). В организм человека УФ – фильтры могут попасть не только через кожу при нанесении на нее косметических средств, но и при приеме пищи. Поэтому необходимо всесторонне изучать токсичность и системное действие веществ, входящих в состав парфюмерно – косметических средств и лекарственных препаратов. 4. ОБЪЕКТЫ ТОКСИКОЛОГИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА Токсикологический эксперимент проводят с целью определения является ли данное соединение токсичным. В качестве модельных объектов используют подопытных животных и представителей гидробионтов (жителей водоемов). Из гидробионтов широко используют дафнии. Токсикологи, исследуя биологическое действие химических соединений, регистрируют изменение выживаемости и плодовитости, развитие гонад у

7

самок, используют биофизические и биохимические показатели; так же учитывают изменение выживаемости и плодовитости особей. Также анализируют изменение морфологических признаков. 5. ТИПЫ КЛАССИФИКАЦИЙ ТОКСИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ 5.1. Классификация по токсикологическим признакам: 5.1.1. по основному действию на организм: 1) раздражающие-слезоточивые - лакриматоры (хлорацетофенон) и раздражающие носоглотку - стерниты (адамсит); 2) удушающие (фосген); 3) кожно-нарывные (иприт, люизит); 4) общеядовитые (НСN, зарин); 5) психохимические (LSD, дитран). 5.1.2. по патологическим реакциям, вызываемых действием токсичного вещества: 1) Вещества, вызывающие острую кислородную недостаточность. Они действуют посредством блокирования доступа кислорода (хлорпикрин). При этом возможно блокирование переноса кислорода (сосудистая аноксемия). Так действуют оксид углерода (II), мышьяковистый и фосфористый водород. Цианиды и синильная кислота блокируют тканевое дыхание. 2) Вещества, вызывающие воспалительные процессы: гнойные воспаления, некротические распады с сильным общеядовитым действием (азотистый иприт, люизит). 3) Вещества, вызывающие патологические рефлексы (рефлекторные яды), органов зрения (слезоточивые вещества), органов дыхания и пищеварения (соли триалкилсвинца), мышц (ингибиторы холинэстеразы - фосфорорганические токсичные соединения). 4) Вещества, которые вмешиваются в высшие функции центральной нервной системы (LSD, тетраэтилсвинец). 5.2. Классификация по методам изолирования токсичных веществ из анализируемых объектов Первая группа включает органические соединения, изолируемые путем дистилляции с водяным паром. Вторая группа более многочисленна. Она включает органические вещества различной химической природы, изолируемые 96% подкислен8

ным этиловым спиртом или подкисленной водой. Эти вещества нейтрального (антифибрин, фенацетин и др.), кислотного (салициловая, бензойная кислоты, производные барбитуровой кислоты) и основного (алкалоиды, синтетические лекарственные вещества) характера. Подкисленным 70% спиртом изолируются гликозиды, в частности сердечные гликозиды. Третью группу составляют пестициды, извлекаемые различными органическими растворителями. Четвертая группа химических веществ - соединения металлов, мышьяка, сурьмы. Для их изолирования необходимо разрушение (окисление, минерализация) органических веществ. Пятая группа- это вещества, изолируемые диализом (извлечением водой). Сюда относятся в первую очередь минеральные кислоты и щелочи, а также соли некоторых кислот (например, азотистой). Шестая группа. В эту группу относят такие вещества, которые требуют особых методов изолирования. Примерами могут служить соли фтористо - и кремнефтористоводородной кислот, для изолирования которых применяют озоление в присутствии солей кальция или едкой щелочи. 6. О КОРРРЕЛЯЦИИ «СТРУКТУРА - ТОКСИКОЛОГИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ» Известно, что природа или характер токсического действия, химического вещества, зависят в значительной степени от функциональной группы или групп, входящих в молекулу вещества. Знание реакций, в которые могут вступать функциональные группы с реакционноспособными группами биохимических компонентов, дает возможность прогнозировать характер ожидаемого токсического действия. Таким образом, по структуре можно предсказывать токсичный эффект, проявляемый данным соединением. Например, некоторые галогензамещенные органические соединения проявляют лакримогенное (слезоточивое) действие. Причиной этого считают перераспределение электронной плотности: атомы галогена в таких соединениях обладают электродонорным характером, т.е. действуют как заместители, способные смещать электронную плотность по направлению к двойной связи, тогда как в случае других галогенсодержащих соединений в результате -I-эффекта (отрицательный индуктивный эффект), молекула поляризуется в другом направлении. Таким образом, частичный положительный заряд на атоме галогена в молекуле и есть причина проявления данным соединением слезоточивого действия:

H3C

C

CH2

Cl

O монохлорпропанон 9

Аналогичный эффект проявляется в случае бромфенилацетонитрила и β - галогенированных (Х) нитрилов акриловой кислоты: CH

C

H

N

CN C

C

H X галогенпроизводные нитрилов акриловой кислоты

Br бромфенилацетонитрил

Ароматические соединения проявляют лакримогенность, если галоген содержится в боковой цепи:

O C

CH2

CH2

Cl

хлорацетофенон

Br

бензилбромид

Если галоген связан непосредственно с ароматическим ядром, то такие галогенпроизводные не активны. Поэтому хлорбензол в органическом синтезе применяется как растворитель. По интенсивности лакриматорного действия галоген-заместители располагаются в ряд: F